WO1999044103A1 - Generateur de courant et horloge electronique l'utilisant - Google Patents
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- G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
- G04C10/00—Arrangements of electric power supplies in time-pieces
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N10/00—Electric motors using thermal effects
Definitions
- the present invention relates to a power generator using a thermoelectric element and an electronic timepiece using the power generator.
- An electronic timepiece that uses electric power as an energy source is generally equipped with a storage means such as a battery and stored in advance and directly supplies power to a clock member.
- a storage means such as a battery
- power generation is performed, power is once stored in power storage means, and then power is supplied to each member. Clocks of this type are economical because there is no need to change batteries.
- Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-29558 has proposed a thermoelectric element utilizing the Seebeck effect as a power generation means, which is housed in a watch case.
- This device is provided with a first insulator having heat conductivity, a second insulator having heat conductivity, and a terminal portion for extracting an electromotive force with the outside. And the second insulator are alternately connected in series with a plurality of n-type and p-type semiconductors, and are electrically connected to the terminal portion. At the same time, the second insulator is inserted into the outer body so that the second insulator is in close contact with the arm of the human body and the first insulator is open to the space.
- the electronic timepiece configured as described above uses the body temperature of the arm of the human body as a high heat source and the outside air temperature as a low heat source, and the semiconductor clock generated by the temperature difference between the first insulator and the second insulator.
- Low electron gradient in n-type semiconductor Electric power is generated by moving to the heat source side, and positive holes move to the low heat source side in the p-type semiconductor, and power is generated.
- the power generation capacity of the thermoelectric element configured as described above is proportional to the number of thermoelectric element elements composed of n-type and p-type semiconductors. The greater the thickness of the thermoelectric element element, the larger the generated electromotive force. And the power generation efficiency is also high.
- thermoelectric element elements composed of n-type and p-type semiconductors and the thickness and number of thermoelectric element elements.
- a corresponding amount of power for operating the movement can be obtained by adjusting the number of thermoelectric element elements composed of n-type and p-type semiconductors and the thickness and number of thermoelectric element elements.
- trying to obtain the desired power with a single thermoelectric element naturally increases the size of the watch. It could also restrict your freedom. Even if it is composed of a plurality of thermoelectric elements, the shape of the storage part becomes complicated and the assembling work is troublesome. In addition, the thermoelectric element itself is extremely weak in strength, and its handling requires care.
- the present invention is advantageous in terms of design design while having a desired power generation capacity, having a strength that is compact and can be incorporated into an electronic timepiece, is easy to handle, and does not hinder miniaturization of the electronic timepiece. It is an object to provide a power generation device and an electronic timepiece using the same. Disclosure of the invention
- thermoelectric element substrate having heat conductivity and insulation and a pair of terminals for extracting electromotive force
- second thermoelectric element having heat conductivity and insulation.
- An element substrate and a plurality of n-type and p-type semiconductors are connected alternately in series by thermoelectric element elements and both ends are connected to the pair of terminal portions, respectively.
- Two thermoelectric elements A predetermined distance between a thermoelectric element that generates power due to a thermal gradient in the thermoelectric element element caused by a temperature difference with the plate and a first substrate having heat conductivity and a second substrate having heat conductivity via a side plate having heat insulation properties And a housing formed and arranged at a predetermined position.
- thermoelectric element substrates are disposed in the housing, and the second thermoelectric element substrates are respectively fixed on the second substrates, and the first thermoelectric element substrates of the thermoelectric elements are heat-transferred to the first substrate via a fluid having heat conductivity.
- the thermoelectric elements are contacted as possible, and the thermoelements are connected in series via the respective pair of terminal portions.
- thermoelectric element made of an n-type semiconductor
- thermoelectric element made of the p-type semiconductor positive holes move to the low heat source side, so that electric power is generated. appear.
- thermoelectric elements in a number corresponding to a desired electric power, thereby outputting the desired electric power and integrating a plurality of thermoelectric elements.
- thermoelectric element distortion due to thermal deformation is absorbed by the fluid having heat conductivity in the minute gap formed between the first thermoelectric element substrate and the first substrate, thereby protecting the thermoelectric element element.
- the fluid having heat conductivity referred to herein includes, for example, silicone resin mixed with heat conductive powder having high thermal conductivity such as Au, Ag, Cu, A1, and alumina.
- the first substrate and the second substrate are preferably non-ferrous metals having high thermal conductivity such as A 1 and Cu.
- thermoelectric element is brought into close contact with the pair of terminal portions of each of the thermoelectric elements, and A print substrate having wiring for connecting the thermoelectric elements in series, and a presser disposed between the print substrate and the first substrate, the print substrate being in close contact with the terminal portion and having a heat insulating property.
- a member is provided. With this configuration, the wiring between the thermoelectric elements can be easily performed, and the holding member having heat insulation ensures that the pair of terminal portions and the printed circuit board are connected to each other. While guaranteeing, the heat transfer between the first substrate and the second substrate is cut off and the heat is transferred only to the thermoelectric element.
- the material of the holding member having heat insulation is not particularly limited as long as it has heat insulation, but it is preferable that the print substrate is securely adhered to the terminal portion.
- a material that can be elastically deformed so as to securely fit within a predetermined gap therebetween is preferable, and examples thereof include foamed polyurethane.
- the external shape of the power generator is not particularly limited, the external shape of the housing has a cylindrical shape, a ring shape, or an arc shape.
- the terminal portion is arranged in the circumferential direction so as to face inward, and the outer shape of the housing has a rectangular parallelepiped shape, and the thermoelectric elements face each other so that the terminal portions face each other.
- Those that are arranged are preferred, especially when incorporated into an electronic timepiece because these shapes approximate the external shape of the timepiece or the shape of the components, making it easy to incorporate, or having a shape that is advantageous in terms of design design. is there.
- the power generation device When the above-described power generation device is applied to an electronic timepiece equipped with a clock movement, the power generation device generates power by using the body temperature of a human arm as a high heat source and using the outside air temperature as a low heat source. It is desirable to be installed in the watch case.
- a power generation device As a mode of the interior, a power generation device is provided in the back cover of the watch, the power generation device itself is configured as a back cover of the watch, or one of the insulators is directly adhered to the arm of the human body, and However, there is no particular limitation such as a case where the other insulator is inserted into the outer body so as to be opened to the space.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of a power generator according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the power generator according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of a power generator according to Embodiment 1 of the present invention, with some members removed.
- FIG. 4 is a plan view showing a flexible substrate according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the power generator according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the power generator according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 7 is a cross-sectional view of a power generator according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the power generator according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 9 is a plan view of a power generator according to Embodiment 4 of the present invention.
- FIG. 10 is a plan view showing a modification of the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 11 is a plan view of a power generator according to Embodiment 5 of the present invention.
- FIG. 12 is a longitudinal sectional view of the power generator according to Embodiment 5 of the present invention.
- FIG. 13 is a cross-sectional view of a power generator according to Embodiment 6 of the present invention.
- FIG. 14 is a longitudinal sectional view of the power generator according to Embodiment 6 of the present invention.
- FIG. 15 is a longitudinal sectional view showing a power generator according to another embodiment.
- FIG. 16 is a longitudinal sectional view of an electronic timepiece provided with the power generating device of the first embodiment.
- FIGS. 1 to 15 illustrate first to seventh embodiments of the power generator according to the present invention
- FIG. 16 illustrates an electronic timepiece incorporating the power generator of the first embodiment. ing.
- This power generation device 100 includes a thermoelectric element 1 and a housing 2 as shown in FIGS. 1 and 2, and has a ring-shaped appearance.
- the thermoelectric element 1 has a flat-plate-shaped thermoelectric element substrate 11 1 having a heat conductive and insulating property and a rectangular shape, and slightly extends from the first thermoelectric element substrate 11 having a heat conductive and insulating property.
- a first thermoelectric element substrate 1 provided to connect the first thermoelectric element substrate 11 and the second thermoelectric element substrate 12 to each other.
- Thermoelectric elements composed of a plurality of n-type and p-type semiconductors connected so as to be alternately connected in series by wiring (not shown) formed on the opposing surface of each of the first and second thermoelectric element substrates 12 Element 13 is provided.
- a pair of terminal portions 14a, 14b for taking out an electromotive force is provided at the end of the second thermoelectric element substrate 12 not facing the first thermoelectric element substrate 11.
- the pair of terminal portions 14 a and 14 b are configured to protrude outside the first thermoelectric element substrate 11. .
- thermoelectric element 1 generates power by a thermal gradient in the thermoelectric element 13 generated by a temperature difference between the first thermoelectric element substrate 11 and the second thermoelectric element substrate 12.
- the housing 2 includes a first substrate 21 and a second substrate 22 having heat conductivity, and the first substrate 21 and the second substrate 22 each have an opening 21 a having a predetermined diameter. , 22 a have the same shape as a hollow disk with an opening.
- the first substrate 21 and the second substrate 22 are opposed to each other at predetermined intervals by heat-insulating annular side plates 25 and 26 that engage the outer peripheral edge and the inner peripheral edge with each other. And are held. Side plates 25 and 26 are inward and outward, respectively. Steps 25 a and 26 a projecting in the directions are provided, and the upper and lower surfaces of the steps 25 a and 26 a in the figure come into contact with the first substrate 21 and the second substrate 22.
- the side plates 25 and 26 are provided on the outer peripheral surfaces of the first substrate 21 and the second substrate 22 respectively.
- the predetermined distance between the first substrate 21 and the second substrate 22 is determined in consideration of variation accuracy in the thickness direction of the thermoelectric element 1 and required clearance for absorbing thermal deformation.
- the predetermined interval is determined by the thickness of the steps 25a and 26a of the side plates 25 and 26.
- the side plates 25, 26 have flange portions 25b, 26b respectively contacting the outer peripheral end surface and the inner peripheral end surface of the first substrates 21 and 22, so that the side plates 25, 26 The positioning between the first substrate 21 and the second substrate 22 is facilitated.
- thermoelectric element substrate 11 and the first substrate 21 are filled with a fluid 27 made of a liquid silicone resin or the like in which a heat conductive powder having high thermal conductivity such as u, Al, and alumina is dispersed. It is in heat transferable contact. Further, each thermoelectric element 1 has its terminal portions 14 a and 14 b connected in series via a flexible substrate 28.
- the flexible substrate 28 has a substantially ring-shaped main body 28a and a lead portion 28b extending from one of the main body 28a. Further, the flexible substrate 28 has a wiring pattern 28 c for connecting the terminal portions 14 a, 14 b having opposite polarities of the adjacent thermoelectric elements 1, and the thermoelectric elements 1 connected in series. The wiring patterns connected to the terminal sections 14a and 14b at both ends of the cable are drawn out to the lead section 28b and connected to the output terminals 28d and 28e. The lead portion 28 b of the flexible substrate 28 projects outside the housing 2 via an opening 25 c formed in the outer side plate 25. In FIG. 1, the wiring pattern 2 8
- the flexible substrate 28 has a heat insulating and elastically deformable ring-shaped pressing member 29 made of polyurethane foam or the like, so that the wiring pattern 28 c is connected to the terminal portion 14 a of the thermoelectric element 1. , 14b so as to be pressed against the second thermoelectric element substrate 12 so as to be in close contact with them.
- the flexible substrate 28 may be bonded to the second thermoelectric element substrate 12, but is not necessarily required to be bonded if positioning is possible.
- the pressing member 29 ensures that the flexible substrate 28 is in close contact with the terminal portions 14a, 14b, and that the distance between the first substrate 11 and the second substrate 12 is set to the side plates 25, 26. It is not always necessary to be elastically deformable as long as it has a thickness that can be maintained at the predetermined interval determined by the step portions 25 a and 26 a of the pusher. In this case, it is preferable to use a material which can be elastically deformed to be slightly thicker than a predetermined size.
- the power generator 100 of Embodiment 1 configured as described above includes a first substrate 21 connected to the first thermoelectric element substrate 11 via the fluid 27, and a second thermoelectric element substrate 12 By generating a temperature difference with the second substrate 22 fixed to the substrate, a plurality of n-type and p-type semiconductors connected in series can be connected without passing through the side plates 25 and 26 and the pressing member 29. Heat is transmitted only through the thermoelectric element 13 to generate a thermal gradient. In the thermoelectric element made of n-type semiconductor, electrons move to the lower heat source side, and in the thermoelectric element made of p-type semiconductor, positive holes move to the lower heat source to generate electric power. Then, it is output to the outside via the output terminals 28 d and 28 e of the flexible substrate 28.
- thermoelectric element 1 thermally expands
- the deformation is secured between the first substrate 21 and the first thermoelectric element substrate 11. It is absorbed by the gap filled with the fluid 27 and the thermoelectric element 1 is not destroyed.
- the gap also absorbs a dimensional error of the thermoelectric element 1 itself, and the fluid 27 also has an effect of absorbing an impact received by the power generator 100.
- the pressing is performed by the pressing member 29 between the second substrate 22 and the flexible substrate 28, but the first substrate 21 and the first thermoelectric element substrate 11 are not fixed. Therefore, breakage of the thermoelectric element 1 itself due to excessive pressing is prevented.
- thermoelectric elements 1 since the power generation device 100 of the present embodiment incorporates a plurality of thermoelectric elements 1 into a casing, even if a failure or the like occurs in any of the thermoelectric elements 1, only the thermoelectric element 1 is used. Can be replaced, and maintenance costs can be significantly reduced.
- thermoelectric element substrates any one of the first and second thermoelectric element substrates may be used as the heat collection unit.
- the power generating device 100A is basically the same as the power generating device according to the first embodiment except that the shape of the second substrate 22 is different from the shape of the annular side plate 26 engaged inside.
- the other components in common are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
- the second substrate 122 of the second embodiment is a disk-shaped member having substantially the same diameter as the outer diameter of the first substrate 21, and the inner side plate 126 is a stepped portion at the top.
- the protrusion 126c protruding inward of the housing 2.
- the protrusion 1 2 6 c is the first thermoelectric It has the same thickness as the element substrate 12 and supports the flexible substrate 28 from below in the figure. Thereby, even if the portion provided with the terminal portions 14a and 14d of the second thermoelectric element substrate 12 does not protrude sufficiently from the first thermoelectric element substrate 11, it is flexible with the protruding portion 126c.
- the substrate 28 can be supported, and the connection via the flexible substrate 28 is reliably performed.
- the second substrate 122 since the second substrate 122 does not have an opening similar to the opening 21 a of the first substrate 21, the second substrate 122 is used as the heat collecting unit side. Thus, the heat collection efficiency can be significantly increased.
- the power generator 100 B of the present embodiment has substantially the same shape as the second substrate 122 instead of the second substrate 122 of the second embodiment, but has a central portion.
- the second substrate 222 may have a convex portion 222 a protruding downward in the drawing.
- the shape of the convex portion 222 2a with, for example, the shape of the inner surface of the back cover of the wristwatch, positioning in the back cover and adhesion to the back cover can be ensured.
- the heat collection performance through the back cover can be improved.
- the second substrate 222 itself may be used as a back cover of a wristwatch.
- FIG. 7 and 8 show a power generator 100C according to the fourth embodiment.
- the inner side plate 26 of the first embodiment, the flexible board 28 and the pressing member 29 are removed, and the wiring for connecting the adjacent heating elements 1 instead of the flexible board 28 is used.
- a ring-shaped wiring substrate 1 28 having a pattern 1 28 a is fixed on the second substrate 222, and the terminal portions 14 a and 14 b of each thermoelectric element 1 and each wiring pattern 1 28 a To
- Embodiments 5 to 9 will be described with reference to FIGS. 9 to 15. Note that these basic configurations are substantially the same as those described above, and only the external shape is different, so other common configurations are given the same reference numerals and description thereof is omitted.
- the power generating device 100 D of the fifth embodiment includes an arc-shaped first substrate 1 2 1 and a side plate 2 having a required length on a disc-shaped second substrate 122. 25 and 22 are provided, in which the thermoelectric element 1 is arranged in an arc shape with its terminal portions 14a and 14b facing inward. Thereby, for example, the power generator 100D can be installed in a desired space of the wristwatch. As shown in FIG. 10, the power generation device 100 D has a first substrate also formed of an arc-shaped second substrate 32 2, and the power generation device 100 D is provided at both ends with fixing portions 3 for fixing. 22 a may be provided.
- the power generation device 100 E of the sixth embodiment is configured such that a first substrate 4 having a disc shape is used instead of the first substrate 21 and the second substrate 22.
- Embodiment 2 is the same as Embodiment 1 except that the outer shape is formed into a columnar shape including the 21st and the second substrates 422.
- a positioning spacer 430 made of a disc-shaped heat insulating member is fixed at the center of the second substrate 22, and each thermoelectric element 1 is fixed around the positioning spacer 430.
- a disk-shaped flexible substrate 228 is used, and this is fixed to the positioning spacer 4330, so that the flexible substrate 228 and each thermoelectric element are fixed. Positioning with 14a, 14b
- the flexible substrate 228 is pressed by a disc-shaped heat insulating holding member 129.
- the power generating device 100F of Embodiment 7 has a rectangular parallelepiped outer shape including a first substrate 521, a second substrate 522, and a side plate 3225.
- the respective heating elements 1 are arranged to face each other such that the respective terminal portions 14a and 14b face each other.
- a flexible substrate 328 formed in a strip shape so that the generated power can be taken out to the outside is provided so as to straddle the respective terminal portions 14a and 14b arranged opposite to each other.
- the wiring pattern 328c on the body 328a connects the terminal sections 14a and 14b alternately in series, and the wiring patterns 328c at both ends are connected to the leads.
- FIG. 13 shows the wiring pattern of the flexible substrate 328 in a see-through manner.
- the first substrate and the second substrate are formed in a plate shape.
- the present invention is not limited to this.
- the thermoelectric element 1 may be formed so as to stand between the substrate 21 and the second substrate 62.
- the power generation device 100 G can generate heat by, for example, being fitted to an arm, whereby the inner second substrate 62 2 is closely attached to the arm and collects heat.
- the power generator 100 has the ring shape illustrated in the first embodiment, and the description of the configuration is omitted because it has been described above.
- the electronic timepiece includes a timepiece case 3 and a power generator 100.
- the watch case 3 is provided with a clock member 32 mounted on the outer case 31 and driven by electric power, and a back cover 3 4 screwed to the inner case 3 3 fitted in the outer case 3 1. It is composed.
- the power generating device 100 is provided with a resilient member 3 appropriately suspended in the circumferential direction from inside the outer shell 3 1.
- the electronic timepiece constructed in this way is attached to the arm of the human body,
- the body temperature is transmitted to the second substrate 22 via the back cover 34, and the timepiece movement is generated by the electric power generated based on the temperature difference from the first substrate 21 radiated to the outside air via the outer shell 31. 3 2 drives.
- the power generation device is provided inside the watch case, but the back cover may be configured by the power generation device.
- a battery or a capacitor for temporarily storing the power generated by the power generation device 100 may be appropriately provided.
- the present invention has the following advantageous effects because it is configured as described above.
- a housing constituted by the first substrate, the second substrate, and the side plate By housing a number of thermoelectric elements according to a desired electric power in a housing constituted by the first substrate, the second substrate, and the side plate, it is possible to have a desired power generation capability, and furthermore, a plurality of thermoelectric elements can be provided. Because it is integrally protected, a compact and easy-to-handle power generation device that satisfies the strength can be provided. Moreover, distortion of the thermoelectric element due to thermal deformation is formed between the first thermoelectric element substrate and the first substrate. By absorbing the fluid having heat conductivity interposed in the small gaps, stable power can be supplied for a long time without damaging the thermoelectric element.
- the holding member having heat insulation ensures the connection between the pair of terminal portions and the printed board, and shuts off the heat transfer between the first board and the second board, thereby forming a thermoelectric element element. Since heat is transferred only to the heat sink, stable performance without heat loss can be maintained.
- an electronic timepiece that can be reduced in size without increasing the size of the power generation device can be provided even for a type requiring power consumption.
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Description
明 細 書 発電装置及びその発電装置を使用してなる電子時計 技術分野
本発明は、 熱電素子を利用した発電装置及びその発電装置を使用した電 子時計に関する。 背景技術
電力をエネルギー源とする電子時計は、 電池などの予め蓄電された蓄電 手段を具備して時計厶一ブメン卜に直接電力供給しているものが一般的で あるが、 発電手段を内装して漸次発電を行わせ、 いったん電力を蓄電手段 に蓄えたのち厶一ブメン卜に電力供給するタイプがある。 このようなタイ プの時計は、 電池交換をする手間が省けて経済的である。 なかでもゼ一べ ック効果を利用した熱電素子を発電手段として採用し、 これを時計ケース に内装したものが特開平 8— 2 9 5 5 8号公報に提案されている。
このものは、伝熱性を有する第一の絶縁体と、 伝熱性を有する第二の絶 縁体と、 外部との起電力を取出す端子部とを備えて構成されており、 第一 の絶縁体と第二の絶縁体とを複数の n型及び p型の半導体で交互に直列に 結線しかつ端子部に連絡して連結された熱電素子力 蓄電手段を介して、 時計ムーブメン卜に電気的に連絡されると共に、 その第二の絶縁体が人体 の腕部に密着するように、 かつ、 第一の絶縁体が空間に開放されるように 外胴に挿嵌されている。
このように構成された電子時計は、 人体の腕部の体温を高熱源とすると 共に外気温度を低熱源として第一の絶縁体と第二の絶縁体との温度差によ つて生じた半導体内の熱勾配によって、 n型半導体中においては電子が低
熱源側に移動し、 p型半導体においては正ホールが低熱源側に移動するこ とで電力が生じ、この発電された電力によって作動するようになっている。 ところで、 このように構成された熱電素子の発電能力は、 n型及び p型 の半導体からなる熱電素子ェレメン卜の数に比例し、 熱電素子ェレメン卜 の厚さが厚いほど発生する起電力が大きくなり、 かつ、 発電効率において も高〈なるという特性を有している。
したがって、 ムーブメントを作動させるための相応の電力は、 n型及び p型の半導体からなる熱電素子エレメン卜の数と熱電素子エレメン卜の厚 さ及び数を調整することによつて得ることができるが、 より消費電力を必 要とするような多機能な電子時計の場合は、 熱電素子単体で所望する電力 を得ようとすると当然大型化してしまい、 電子時計の小型化を阻害すると 共に、 意匠設計上の自由を拘束することにもなりかねない。 仮に複数個の 熱電素子で構成させたとしても収納部の形状が複雑になったり、 また組込 み作業に手間がかかる。 しかも、 熱電素子単体は非常に強度的に弱く、 そ の取り扱いは慎重を要する。
そこで、 本発明は、 所望する発電能力を有しつつ、 コンパク卜で電子時 計に組み込み可能な強度を有し且つ取扱いも容易で電子時計の小型化を阻 害せずに意匠設計上有利な発電装置及びそれを用いた電子時計を提供する ことを課題とする。 発明の開示
上記課題を達成するために講じた技術的手段は、 伝熱性及び絶縁性を有 する第一熱電素子基板と起電力を取出す一対の端子部が設けられ伝熱性及 び絶縁性を有する第二熱電素子基板とが複数の n型及び p型の半導体から なる熱電素子エレメン卜で交互に直列に接続され且つ両端が前記一対の端 子部にそれぞれ接続されてなり、 前記第一熱電素子基板と第二熱電素子基
板との温度差によって生じた熱電素子エレメント内の熱勾配によって発電 する熱電素子と、 伝熱性を有する第一基板と伝熱性を有する第二基板とが 断熱性を有する側板を介して所定の間隔をおいて配設されて形成されたハ ウジングとを備えてなり、 複数個の前記熱電素子が前記
ハウジング内に配設され、 第二熱電素子基板が第二基板上にそれぞれ固着 されると共に前記熱電素子それぞれの第一熱電素子基板が伝熱性を有する 流動体を介して前記第一基板と熱伝達可能に接触され、 且つ、 前記熱電素 子はそれぞれの前記一対の端子部を介して直列に接続されていることを特 徴とする。
上記技術的手段によれば、 伝熱性を有する流動体を介して第一熱電素子 基板に連絡された第一基板と第二熱電素子基板に固着された第二基板とに 温度差が生じることにより、 側板を介せずに直列に接続された複数の n型 及び p型の半導体からなる熱電素子ェレメントにのみに熱が伝達されて熱 勾配が生じる。 そして、 n型の半導体からなる熱電素子エレメント中にお いては電子が低熱源側に移動し、 p型の半導体からなる熱電素子エレメン 卜においては正ホールが低熱源側に移動することにより電力が発生する。 また、 第一基板と第二基板と側板とで構成されたハウジングに、 所望する 電力に応じた数の熱電素子を内装することにより、 所望した電力を出力す ると共に複数の熱電素子を一体的に保護する。 しかも、 熱変形による熱電 素子の歪みを、 第一熱電素子基板と第一基板との間に形成された微小間隙 内の伝熱性を有する流動体が吸収し熱電素子ェレメン卜を保護する。 なお、 ここでいう伝熱性を有する流動体には、 例えば、 A u, A g, C u, A 1,アルミナ等の熱伝導率の高い導熱粉末を混入させたシリコ—ン樹 脂等がある。 また、 第一基板及び第二基板は、 A 1, C u等の熱伝導率の 高い非鉄金属が好適である。
そして、 前記した熱電素子それぞれの前記一対の端子部に密着されて前
記熱電素子を直列に接続する配線を有するプリン卜基板と、 前記プリン卜 基板と前記第一基板との間に配設されて前記プリン卜基板を前記端子部に 密着させ且つ断熱性を有する押さえ部材が設けられていることが望ましい。 このように構成することで、 各熱電素子間の配線を簡単に行うことがで き、 また、 断熱性を有した押さえ部材が、 それぞれの一対の端子部とプリ ント基板との接続を確実に保証する共に、 第一基板と第二基板との熱伝達 を遮断して熱電素子エレメントにのみに熱を伝達する。 この断熱性を有し た押さえ部材の材質としては、 断熱性を有すれば特に限定されないが、 好 ましくはプリン卜基板を端子部に確実に密着させるが第一基板と第二基板 との間の所定の隙間内に確実に収まるように弾性変形可能な材質が良く、 例えば発泡ポリウレタン等があげられる。
この発電装置の外観形状ゃ熱電素子の配置は特に限定されたものではな いが、 前記したハウジングの外観形状が円柱体状、 リング状又は円弧状を 呈しており、 前記熱電素子は、 それぞれの前記端子部が内側に向〈ように 周方向に配置されているものや、 前記したハウジングの外観形状が直方体 状を呈しており、 前記熱電素子は、 それぞれの前記端子部同士が向き合う ように対向配置されいるもの等は、 特に電子時計に組込む場合に、 これら の形状が時計の外観形状あるいは構成部材の形状と近似して組込みやすく なったり、 又は意匠設計上有利な形状となるので好ましいものである。 そして、 時計ムーブメントを具備した電子時計に以上のような発電装置 を適用する場合は、 前記発電装置が人体の腕部の体温を高熱源とすると共 に外気温度を低熱源として発電されるように時計ケースに内装されている が望ましい。 内装の態様としては、時計の裏蓋内に発電装置を設けたり、 発電装置自体を時計の裏蓋として構成したり、 あるいは、 一方の絶縁体が 人体の腕部に直接密着するように、 かつ、 他方の絶縁体が空間に開放され るように外胴に挿嵌されているもの等、 特に限定されるものではな〈任意
である, 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施形態 1の発電装置の横断面図である。
図 2は、 本発明の実施形態 1の発電装置の縦断面図である。
図 3は、 本発明の実施形態 1の発電装置の一部部材を除去した横断面図 feる o
図 4は、 本発明の実施形態 1のフレキシブル基板を示す平面図である。 図 5は、 本発明の実施形態 2の発電装置の縦断面図である。
図 6は、 本発明の実施形態 3の発電装置の縦断面図である。
図 7は、 本発明の実施形態 3の発電装置の横断面図である。
図 8は、 本発明の実施形態 3の発電装置の縦断面図である。
図 9は、 本発明の実施形態 4の発電装置の平面図である。
図 1 0は、 本発明の実施形態 4の変形例を示す平面図である。
図 1 1は、 本発明の実施形態 5の発電装置の平面図である。
図 1 2は、 本発明の実施形態 5の発電装置の縦断面図である。
図 1 3は、 本発明の実施形態 6の発電装置の横断面図である。
図 1 4は、 本発明の実施形態 6の発電装置の縱断面図である。
図 1 5は、 他の実施形態の発電装置を示す縱断面図である。
図 1 6は、実施形態 1の発電装置を具備した電子時計の縱断面図である。 発明を実施するための最良の形態
次に、 本発明にかかる発電装置と、 その発電装置を使用してなる電子時 計の実施形態を図面に基づいて説明をする。
図 1〜図 1 5は本発明にかかる発電装置の第 1〜第 7の実施形態を、 図 1 6は第 1の実施形態の発電装置を組み込んだ電子時計をそれぞれ例示し
ている。
(実施形態 1 )
本発明の実施形態 1に係る発電装置 Aを説明する。
この発電装置 1 0 0は、 図 1及び図 2に示すように熱電素子 1と、 ハウ ジング 2とを備えて構成されており、 外観形状がリング状を呈している。 熱電素子 1は、 伝熱性及び絶縁性を有し矩形状に形成された平板状の第 —熱電素子基板 1 1 と、 伝熱性及び絶縁性を有し第一熱電素子基板 1 1よ り若干延びた矩形状に形成された平板状の第二熱電素子基板 1 2と、 第一 熱電素子基板 1 1と第二熱電素子基板 1 2とを連結するように設けられ且 つ第一熱電素子基板 1 1と第二熱電素子基板 1 2のそれぞれの対向面に形 成された配線 (図示せず) によって交互に直列となるように接続された複 数の n型及び p型の半導体からなる熱電素子エレメント 1 3とを備える。 第二熱電素子基板 1 2の第一熱電素子基板 1 1とは相対向しない端部には、 起電力を取出す一対の端子部 1 4 a, 1 4 bが設け
られ、 図 1からフレキシブル基板 2 8を除去した図 3に示すように、 一対 の端子部 1 4 a, 1 4 bは、 第一熱電素子基板 1 1より外側に突出するよ うに構成されている。
この熱電素子 1は、 第一熱電素子基板 1 1と第二熱電素子基板 1 2との 温度差によって生じた熱電素子エレメント 1 3内の熱勾配によって発電す るようになっている。
ハウジング 2は、 伝熱性を有した第一基板 2 1及び第二基板 2 2とを具 備し、 第一基板 2 1及び第二基板 2 2は、 それぞれ所定の径を有する開口 部 2 1 a , 2 2 aが開口された中空円板状の同形状を呈する。 これら第一 基板 2 1及び第二基板 2 2は、 それぞれの外周縁部同士と内周縁部同士と を係合させる断熱性を有する環状の側板 2 5, 2 6により所定間隔をおい て相対向して保持されている。側板 2 5, 2 6は、 それぞれ内方向及び外
方向に突出する段部 2 5 a, 2 6 aを有し、 段部 2 5 a, 2 6 aの図中上 下面が第一基板 2 1及び第二基板 2 2と当接する。 また、側板 2 5 , 2 6 は、 それぞれ第一基板 2 1及び第二基板 2 2の外周面
及び内周面に当接するつば部 2 5 b , 2 6 bを有する。 ここで、 第一基板 2 1と第二基板 2 2との間の所定間隔は、 熱電素子 1の厚さ方向のバラッ キ精度、 熱変形を吸収する所要の逃げを加味して決定され、 前記所定間隔 は側板 2 5 , 2 6の段部 2 5 a, 2 6 aの厚さにより決定される。 また、 側板 2 5, 2 6は、 第一基板 2 1及び 2 2の外周端面及び内周端面にそれ それ当接するつば部 2 5 b, 2 6 bを有するので、 側板 2 5, 2 6と第一 基板 2 1及び第二基板 2 2との位置決めを容易にしている。
このように構成されたハウジング 2内には、 それぞれの端子部 1 4 a , 1 4 bが内側に向〈ように周方向に所望した複数個の熱電素子 1が配置さ れ、第二熱電素子基板 1 2が第二基板 2 2上にそれぞれ固着される。また、 第一熱電素子基板 1 1 と第一基板 2 2との間は、 所定の間隙が設けられる ようになっているが、 各間隙はそれぞれ、 伝熱性を有した A u、 A g、 C u、 A l、 アルミナ等の熱伝導率の高い導熱粉末を分散させた液状シリコ ーン樹脂等からなる流動体 2 7が充填され、 第一熱電素子基板 1 1 と第一 基板 2 1とは熱伝達可能に接触されている。 また、 各熱電素子 1は、 それ それの端子部 1 4 a , 1 4 bをフレキシブル基板 2 8を介して直列に接続 されている。
フレキシブル基板 2 8は、 図 4に示すように、 略リング状の本体 2 8 a と、 その一ヶ所から延設されたリード部 2 8 bとを有する。 また、 フレキ シブル基板 2 8は、 隣接する熱電素子 1の反対の極性を有する端子部 1 4 a, 1 4 b同士を接続する配線パターン 2 8 cを有し、 直列に接続された 熱電素子 1の両端部の端子部 1 4 a, 1 4 bに接続される配線バタ―ンは リード部 2 8 bに引き出されて出力端子 2 8 d , 2 8 eに接続されている。
なお、 フレキシブル基板 2 8のリード部 2 8 bは、 外側の側板 2 5に形成 された開口部 2 5 cを介してハウジング 2の外部に突出している。 なお、 図 1においては、 説明の都合上、 配線パターン 2 8
cを透視して示している。
また、 フレキシブル基板 2 8は、 発泡ポリウレタン等からなる断熱性を 有し且つ弾性変形可能なリング状の押さぇ部材 2 9により、 配線バタ一ン 2 8 cが熱電素子 1の端子部 1 4 a, 1 4 bに密着するように第二熱電素 子基板 1 2に押圧されるように設けられている。フレキシブル基板 2 8は、 第二熱電素子基板 1 2に接着されてもよいが、 位置決めが可能であれば、 必ずしも接着する必要はない。
また、 押さえ部材 2 9は、 フレキシブル基板 2 8を端子部 1 4 a, 1 4 b に確実に密着させ、且つ第一基板 1 1 と第二基板 1 2との間隔を側板 2 5 , 2 6の段差部 2 5 a , 2 6 aにより決定される所定の間隔に保持できる厚 さを有するものであれば、 必ずしも弾性変形可能でなくてもよいが、 押さ ぇ部材 2 9の寸法誤差を考慮すると弾性変形可能な材料で所定の寸法より 若干厚めに形成するのが好ましい。
以上のように構成された実施形態 1の発電装置 1 0 0は、 流動体 2 7を 介して第一熱電素子基板 1 1に連絡された第一基板 2 1 と、 第二熱電素子 基板 1 2に固着された第二基板 2 2とに温度差を生じさせることにより、 側板 2 5, 2 6及び押さえ部材 2 9を介さずに、 直列に接続された複数の n型及び p型の半導体からなる熱電素子エレメント 1 3を介してのみ熱が 伝達されて熱勾配が生じる。 そして、 n型の半導体からなる熱電素子エレ メン卜中においては電子が低熱源側に移動し、 p型の半導体からなる熱電 素子エレメントにおいては正ホールが低熱源側に移動することにより電力 が発生し、 フレキシブル基板 2 8の出力端子 2 8 d , 2 8 eを介して外部 へ出力される。
このような本実施形態の発電装置 1 0 0では、 例えば、 熱電素子 1が熱 膨張しても、 その変形は、 第一基板 2 1 と第一熱電素子基板 1 1 との間に 確保されて流動体 2 7が充填されている間隙により吸収され、 熱電素子 1 が破壊されることがない。 また、 この間隙は、 熱電素子 1 自体の寸法誤差 も吸収し、 また、 流動体 2 7は、 発電装置 1 0 0が受けた衝撃を吸収する という作用をも有する。
また、 第二基板 2 2とフレキシブル基板 2 8との押さえ部材 2 9による 押圧により確実に行うようにしているが、 第一基板 2 1 と第一熱電素子基 板 1 1 とが固着されていないので、 過度な押圧により熱電素子 1 自体を破 壊することが防止される。
さらに、 本実施形態の発電装置 1 0 0は、 複数の熱電素子 1をケ一シン グに組み込む用にしたので、 何れかの熱電素子 1に故障等が生じても、 前 記熱電素子 1のみを交換することが可能であり、 メンテナンス費用の大幅 な低減を図ることができる。
なお、 上述した発電装置 1 0 0は、 各種電子時計に組み込むことができ るが、 第一及び第二の何れの熱電素子基板を集熱部としてもよい。 (実 施形態 2 )
次に実施形態 2の発電装置 1 0 O Aを図 5を参照して説明する。
この発電装置 1 0 0 Aは、 前記第二基板 2 2の形状と、 内側に係合され た環状の側板 2 6の形状のみを相違させてハウジング 2を構成した以外は 実施形態 1 と基本的に同様であり、 共通する他の構成は同一符号を付けて 説明は省略する。
実施形態 2の第二基板 1 2 2は、 前記第一基板 2 1の外径と略同径で構 成された円板状の部材であり、 内側の側板 1 2 6は、 上部に段部 1 2 6 a のつば部 1 2 6 bとの境界部で第二基板 1 2 2側の端部に、 ハウジング 2 の内方に突出する突出部 1 2 6 cを有する。 突出部 1 2 6 cは、 第一熱電
素子基板 1 2と同一の厚さを有し、 フレキシブル基板 2 8を図中下側から 支持する。 これにより、 第二熱電素子基板 1 2の端子部 1 4 a, 1 4匕が 設けられた部分が第一熱電素子基板 1 1 より十分に突出していなくても、 突出部 1 2 6 cでフレキシブル基板 2 8を支持することができ、 フレキシ ブル基板 2 8を介しての接続が確実に行われる。
また、 上述したように、 第二基板 1 2 2は、 第一基板 2 1の開口 2 1 a と同様な開口を有さないので、 第二基板 1 2 2を集熱部側とすることによ り、 集熱効率を大幅に上昇することができる。
(実施形態 3 )
本実施形態の発電装置 1 0 0 Bは、 図 6に示すように、 実施形態 2の第 二基板 1 2 2の代わりに、 第二基板 1 2 2と略同一形状ではあるが、 中央 部を図中下方に突出する凸部 2 2 2 aを有する第二基板 2 2 2としてもよ し、。 この場合、 凸部 2 2 2 aの形状を、 例えば、 腕時計の裏蓋の内面の形 状と一致させることにより、 裏蓋内への位置決め及び裏蓋との密着性を確 保することができ、 裏蓋を介しての集熱性能を向上させることができる。 なお、 この第二基板 2 2 2自体を腕時計の裏蓋としてもよいことはいうま でもない。
(実施形態 4 )
図 7及び図 8には実施形態 4に係る発電装置 1 0 0 Cを示す。 本実施形 態では、 実施形態 1の内側の側板 2 6と、 フレキシブル基板 2 8及び押さ ぇ部材 2 9とを除去し、 フレキシブル基板 2 8の代わりに、 隣接する発熱 素子 1同士を接続する配線パターン 1 2 8 aを有するリング状の配線基板 1 2 8を第二基板 2 2 2上に固着し、 各熱電素子 1の端子部 1 4 a, 1 4 bと各配線パターン 1 2 8 aとを
ワイヤボンディング 1 2 8 bを介して接続することにより、 全ての熱伝素 子 1を直列に接続するように構成したものである。
(実施形態 5 )
次に、 実施形態 5〜 9の発電装置を図 9〜図 1 5を参照しながら説明す る。 なお、 これらの基本的な構成は前述したものと実質的に同一であり、 その外観形状が相違するだけなため共通する他の構成は同一符号を付けて 説明は省略する。
実施形態 5の発電装置 1 0 0 Dは、 図 9に示すように、 円板状の第二基 板 1 2 2の上に所要する長さの円弧状の第一基板 1 2 1及び側板 2 2 5及 び 2 2 6などを設け、 この中に熱伝素子 1がその端子部 1 4 a, 1 4 bを 内側に向けて円弧状に配設したものである。 これにより、 例えば、 腕時計 の所望のスペースに発電装置 1 0 0 Dを内装することができる。 なお、 発 電装置 1 0 0 Dは、 図 1 0に示すように、 第一基板も円弧状の第二基板 3 2 2とし、 その両端に発電装置 1 0 0 Dを固定用の固定部 3 2 2 aを設け てもよい。
(実施形態 6 )
また、 実施形態 6の発電装置 1 0 0 Eは、 図 1 1及び図 1 2に示すよう に、 第一基板 2 1及び第二基板 2 2の代わりに円板状を呈した第一基板 4 2 1及び第二基板 4 2 2を備えて外観形状が円柱体状に構成されている以 外は、 実施形態 1と同様である。 なお、 第二基板 2 2の中央部には、 円板 状の断熱部材からなる位置決めスぺーサ 4 3 0が固着され、 この位置決め スぺ—サ 4 3 0の周囲に各熱電素子 1が固着されている。 また、 リング状 のフレキシブル基板 2 8の代わりに円板状のフレキシブル基板 2 2 8を用 い、 これを位置決めスぺ一サ 4 3 0に固着することにより、 フレキシブル 基板 2 2 8と各熱電素子 1 4 a、 1 4 bとの位置決め
を行っている。 また、 フレキシブル基板 2 2 8は、 円板状の断熱押さえ部 材 1 2 9で押圧されている。
(実施形態 7 )
実施形態 7の発電装置 1 0 0 Fは、 図 1 3及び図 1 4に示すように、 第 一基板 5 2 1及び第二基板 5 2 2、 及び側板 3 2 5とで外観形状が直方体 状に形成されている以外は、 実施形態 1 と同様である。 ここで、 各発熱素 子 1は、 それぞれの端子部 1 4 a, 1 4 b同士が向き合うように対向配置 されている。 また、 発電された電力を外部へ取出し可能に帯状に形成され たフレキシブル基板 3 2 8が、 対向配置されたそれそれの端子部 1 4 a, 1 4 b同士を跨ぐように設けられ、 帯状の本体 3 2 8 a上に配線パターン 3 2 8 cが端子部 1 4 a, 1 4 bを交互に直列に接続するようになってお り、 両端の配線バタ一ン 3 2 8 cは、 リード部 3 2 8
bの出力端子 3 2 8 d, 3 2 8 eに接続されている。 このフレキシブル基 板 3 2 8は、 断熱性を有し且つ弾性変形可能な棒状の押さえ部材 3 2 9に より、 端子部 1 4 a, 1 4 bに押圧されている。 なお、 側板 3 2 5は、 第 —基板 5 2 1及び第二基板 5 2 2の外縁部間に挟持される略矩形状の部材 であり、 フレキシブル基板 3 2 8のリ一ド部 3 2 8 bを外部に突出するた めの開口部 3 2 5 aを有する。 なお、 図 1 3には、 フレキシブル基板 3 2 8の配線パターンを透視して示してある。
なお、 以上説明した各実施形態は、 第一基板及び第二基板を平板状とし たが、 これに限定されるものではなく、 例えば、 図 1 5に示すように、 円 筒状の第一基板 6 2 1及び第二基板 6 2 2との間に、 熱電素子 1が立設さ れるように形成してもよい。 この発電装置 1 0 0 Gは、 例えば、 腕にはめ ることにより、 内側の第二基板 6 2 2が腕に密着されて集熱し、 発熱する ことができる。
(実施形態 8 )
次に、 本発明にかかる発電装置 1 Q 0を組み込んだ電子時計を図 1 6を 用いて説明をする。 なお、 発電装置 1 0 0は、 実施形態 1で例示したリン グ状のものであり、 その構成の説明は前述したので省略する。
電子時計は、 時計ケース 3と発電装置 1 0 0とを備えてなる。
時計ケース 3は、 外胴 3 1に内装され電力によって駆動する時計厶―ブ メン卜 3 2と外胴 3 1内に嵌合した内胴 3 3に螺合された裏蓋 3 4とを備 えて構成されている。
発電装置 1 0 0は、 外胴 3 1内から周方向に適宜垂設された弾発部材 3
5によつて第二基板 2 2側が裏蓋 3 4内側と密着するように付勢されて時 計ケース 3内に設けられると共に、 フレキシブル基板 (図示せず) を介し て時計ムーブメン卜 3 2に電気的に接続されている。
このように構成された電子時計は、 人体の腕部に装着したことにより、 腕部の
体温が裏蓋 3 4を介して第二基板 2 2に伝達し、 外胴 3 1を介して外気に 放熱された第一基板 2 1 との温度差に基づいて発電された電力によって時 計ムーブメント 3 2が駆動する。 なお、 本実施形態では、 時計ケース内に 発電装置を設けたが、 発電装置で裏蓋を構成してもよい。 また、 発電装置 1 0 0で発電した電力を一時的に蓄えるバッテリ又はキャパシタを適宜設 けることもできる。
なお、 発電装置 1 0 0に代わりに上述した他の発電装置 1 0 0 A〜1 0 0 G等を電子時計に適宜組み込むことができることはいうまでもない。 産業上の利用可能性
本発明は、 以上のように構成したから下記の有利な効果を奏する。 第一基板と第二基板と側板とで構成されたハウジングに、 所望する電力 に応じた数の熱電素子を内装することにより、 所望する発電能力を有する ことができ、 しかも、 複数の熱電素子を一体的に保護するから、 コンパク 卜に且つ強度的に満足する取扱い容易な発電装置が提供できる。 しかも、 熱変形による熱電素子の歪みを第一熱電素子基板と第一基板との間に形成
された微小間隙内に介在された伝熱性を有する流動体が吸収することによ り、 熱電素子を痛めることなく長期に亘って安定した電力を供給できる。 さらに、 断熱性を有した押さえ部材が、 それそれの一対の端子部とプリ ン卜基板との接続を確実に保証し、 第一基板と第二基板との伝熱を遮断し て熱電素子エレメントにのみに熱を伝達するから、 熱損失のない安定した 性能が維持できる。
そして、 このような発電装置を電子時計に適用することにより、 消費電 力を要するタイプのものでも発電装置が大型化せずに小型化された電子時 計が提供できる。
Claims
1 . 伝熱性及び絶縁性を有する第一熱電素子基板と起電力を取出す一対の 端子部が設けられ伝熱性及び絶縁性を有する第二熱電素子基板とが複数の n型及び p型の半導体からなる熱電素子ェレメン卜で交互に直列に接続さ れ且つ両端が前記一対の端子部にそれぞれ接続されてなり、 前記第一熱電 素子基板と第二熱電素子基板との温度差によって生じた熱電素子ェレメン 卜内の熱勾配によって発電する熱電素子と、伝熱性を有する第一基板と伝 熱性を有する第二基板とが断熱性を有する側板を介して所定の間隔をおい て配設されて形成されたハウジングとを備えてなり、 複数個の前記熱電素 子が前記 \ゥジング内に配設され、 前記第二熱電素子基板が前記第二基板 上にそれそれ固着されると共に前記熱電素子それぞれの前記第一熱電素子 基板が伝熱性を有する流動体を介して前記第一基板と熱伝達可能に接触さ れ、 且つ、 前記熱電素子はそれぞれの前記一対の端子部を介して直列に接 続されていることを特徴とする発電装置。
2 . 前記熱電素子それぞれの前記一対の端子部に密着されて前記熱電素子 を直列に接続する配線を有するプリン卜基板と、 前記プリン卜基板と前記 第一基板との間に配設されて前記プリン卜基板を前記端子部に密着させ且 つ断熱性を有する押さえ部材が設けられていることを特徴とする請求の範 囲 1項記載の発電装置。
3 . 前記ハウジングの外観形状が円柱体状、 リング状又は円弧状を呈して おり、 前記熱電素子は、 それぞれの前記端子部が内側に向〈ように周方向 に配置されていることを特徴とする請求の範囲 1項又は 2項記載の発電装
4 .前記ハウジングの外観形状が直方体状を呈しており、前記熱電素子は、 それそれの前記端子部同士が向き合うように対向配置されいることを特徴
とする請求の範囲 1項又は 2項記載の発電装置。
5 . 請求の範囲 1項〜 4項のいずれか 1項に記載の発電装置と、 前記発電 装置から供給された電力によって動作する時計ムーブメントとを備えてな り、 前記発電装置が人体の腕部の体温を高熱源とすると共に外気温度を低 熱源として発電されるように時計ケースに内装されたことを特徴とする電 子時計。
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1998
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